航空发动机整机可靠性验证试验方法研究

李富亮 徐佳汇 李贤贞

摘要：高性能、高可靠性是现代航空发动机型号研制的主要目标，为确认发动机可靠性水平，需要在设计、制造、使用全过程中策划并开展各种不同的可靠性试验。本文针对航空发动机研制阶段的验证性试验，介绍了整机性能试验、振动试验、强度验证与考核试验、疲劳寿命试验和环境试验等整机可靠性试验方法。

关键词：航空发动机;整机可靠性;验证;试验方法

中图分类号：V263.5                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）07-0016-02

0  引言

航空发动机可靠性指的是在规定的使用条件下和规定的寿命期内，发动机无故障工作的能力[1]。评价发动机质量的指标包括性能、可靠性和维修性，性能指标是基本指标，但没有可靠性和维修性指标，也无法保证发动机的产品质量，提高发动机的可靠性和维修性还可以降低发动机的研制风险并加快研制进度。航空发动机可靠性试验是指在设计、制造、使用过程中，为确认发动机可靠性水平而进行的试验，是验证发动机在规定条件下与规定时间内能否实现预定功能而进行的试验[2]。可靠性试验贯穿于发动机设计、研制、生产和使用的全过程，根据不同阶段和目的进行各种不同的可靠性试验。

航空发动机是基础技术、专业技术和综合技术的高度融合体，涉及机械、电子、液压、控制、材料、气动和热力等学科和专业，其研制过程是一项复杂的系统工程;如果在研制过程中片面追求发动机的高性能，而忽视可靠性、维修性问题，发动机在装备使用后会出现严重影响可靠性的问题，从而需要再次花费巨额的经费和大量的时间来解决。因此，在发动机型号研制开始时，就必须确定性能和可靠性综合平衡的设计原则，在研制过程中策划开展大量的可靠性试验，以在投入使用前尽可能多地暴露、发现并解决问题，提高发动机的可靠性和耐久性。

航空发动机可靠性试验分为零部件可靠性试验和整机可靠性试验，整机可靠性试验又分为研制阶段的验证性试验、可靠性鉴定试验和可靠性验收试验，研制阶段的验证性试验又分为整机性能试验、振动试验、强度验证与考核试验、疲劳寿命试验和环境试验等。本文对航空发动机研制阶段整机可靠性验证试验方法进行分析，并结合国内外发展情况提出建议。

1  整机性能试验

整机性能试验的目的是为了测定并评估发动机在正常工作情况下其性能参数是否达到设计指标要求，并检查主要性能参数的变化趋势。整机性能试验包括地面性能试验、高空性能试验、功能试验、推力瞬变试验、起动与再起动试验、风车试验等。

整机性能试验通常需要录取发动机高低压转速、空气流量、燃油流量、推力、耗油率、排气温度等总体参数，以及压气机增压比和效率、燃烧室燃烧效率和总压恢复系数、高低压涡轮落压比和效率等部件参数，以对发动机整机性能进行评估。

2  整机振动试验

整机振动问题是新发动机研制过程中的难点之一，通过对整机振动进行有效测试，从而建立故障模式和识别系统，有利于降低发动机的整机振动水平并排除振动故障。整机振动试验的目的是掌握整机的振动特性，包括频率、振动模态、振动响应、转子临界转速等，可划分为整机振动监控值的测定试验、整机振动监测试验、主要零部件振动应力水平的整机监测试验等。

整机振动试验主要测量压气机、涡轮、附件传动机匣外部的振动位移、速度和加速度，并在轴承部位测量轴承载荷及转子振动加速度、位移等基本参数，还测量转子支承系统以及机匣等构件的固有频率、转子临界转速、振型、刚度、阻尼等模态参数。典型的整机振动测试系统包括传感器、信号调节器、测振仪和动态采集系统，振动结果分析方法主要有时域分析、时频分析、小波分析和频域分析等。

3  强度验证与考核试验

强度验证与考核试验的目的是验证发动机零部件的工作应力水平与屈服应力或强度极限应力之间的关系，以减少故障并提高可靠性，主要包括机匣静强度与疲劳应力试验、轴承组件强度试验、转子应力水平考核试验、转子屈服强度试验、转子极限强度试验、转子蠕变强度试验、转子包容与非包容试验、转子超转试验和轮盘破裂试验等。

4  疲劳寿命试验

疲劳寿命试验可分为高周疲劳寿命、低周疲劳寿命和热疲劳寿命试验等[3]。

高周疲劳是导致航空发动机叶片失效的主要原因之一，发动机叶片等零部件进行高周疲劳试验时，试验的循环次数应高于零部件在发动机寿命期内的工作循环次数，试验后的零部件不应破坏。高周疲劳试验时的激励状态包括零部件处于强迫振动下的疲劳循环次数、零部件处于共振状态下的低应力或高应力水平疲劳损伤。

低周疲劳又称低循环疲劳，是发动机轮盘、叶片、主轴、机匣等零部件故障的主要形式，循环应力水平相对较高、塑性应变占主导作用、循环次数较低，裂纹一般从应力集中区开始，由于裂纹扩展而引起断裂。发动机低循环疲劳试验一般采用从慢车到最大再到慢车的循环，采用加速任务试车还能更加全面模拟实际使用中的低循环疲劳、蠕变和应力断裂情况。压气机和涡轮的轮盘、叶片、轴等零部件进行低循环疲劳试验时应保证100%裕度，即应至少按规定的低循环疲劳寿命值两倍进行，或者以高温和高载荷模拟发动机机动飞行载荷条件或以试验温度下按材料特性調整载荷进行。

5  環境试验

进行环境试验的目的是考核发动机对各种自然环境的适应能力，主要是考查外界环境对发动机工作可靠性的影响，包括吞鸟、吞砂、吞冰、吞水试验，以及高、低温起动试验等[4-5]。

5.1 吞鸟试验

航空发动机遭遇鸟的吸入或者撞击后极易引起飞机失事，造成重大的人员伤亡和财产损失。进行吞鸟试验的目的是从结构强度和性能方面检验发动机在起飞、降落和低空飞行时具备耐鸟撞击的能力，结构强度方面主要考核鸟撞后引起的发动机零部件损伤情况，性能方面则考核吞鸟后发动机推力损失、恢复及稳定工作情况。吞鸟试验的主要参数有鸟重量、鸟速度、鸟数量、鸟分布、发动机工作状态和吞鸟时间等，《航空发动机适航规定》（CCAR33-R2）第33.76条规定了发动机在遭遇鸟的吸入或者撞击后必须具备的安全工作能力，并按重量将鸟分为大鸟、中鸟和小鸟。典型吞鸟试验结果表明，小鸟比大鸟更容易进入发动机气流通道，并对发动机性能和零部件分别造成更大的影响和损伤。

5.2 吞砂试验

航空发动机吞砂试验，是指在地面试验条件下，当发动机在要求的状态工作时，持续并均匀地向发动机喷射一定浓度的砂尘，以检查发动机稳定工作的能力。砂尘进入发动机后，会导致零部件磨蚀损伤，并使压气机转子叶片和静子叶片尖部和尾缘磨蚀，降低压气机效率和空气流量，从而使推力降低;进入发动机的砂尘在燃烧室内高温溶化后，一部分粘结在燃烧室上降低了燃烧效率，一部分粘结在涡轮叶片上使涡轮效率降低，导致耗油率升高。国军标GJB241规定，在砂尘环境下以最大连续推力工作10h后，发动机的推力损失和耗油率增加应不大于5%，且不影响推力瞬变的能力。典型的吞砂试验设备主要由空气过滤系统、送砂装置、喷射管路和喷嘴组成。

5.3 吞冰试验

飞行过程中当发动机进气道积聚的冰层脱落或进入冰雹时，可能会导致发动机熄火、推力损失或者零部件损伤，有必要进行吞冰片或吞冰雹等试验，以检查发动机正常工作的能力。吞冰片试验目的是模拟进气道积聚了大量冰层并发生冰片突然脱落，冰片被发动机吸入的情况;吞冰雹试验目的是模拟飞机飞行过程中突然遇到冰雹并进入发动机时的情况。典型的吞冰试验设备由制冰设备、投冰片和冰雹装置、测试系统等组成，试验时主要监控吞冰时发动机各项性能参数波动及恢复情况，试验后应对发动机进行分解以检查零部件损伤情况。

5.4 吞水试验

发动机在雨天飞行时会吞入大量雨水，在地面跑道滑行时也会吞入大量积水，雨水进入压气机后，可能造成压气机机匣冷却收缩，机匣与叶片间隙不足导致摩擦损伤，还可能造成压气机喘振和燃油室熄火等故障。吞水试验的目的是在地面试车台向发动机喷入一定水滴直径、重量的液态水，以考核发动机工作稳定性。典型的喷水装置包括水箱、调节阀、流量计、喷嘴等。试验过程中水的重量要达到进入发动机空气流量的一定比例，水应为滴状，试验应分别在慢车、最大推力状态、起动过程和加减速过程中进行。

5.5 高、低温起动试验

大气温度的变化会极大地影响发动机的起动性能，主要原因为：①会引起空气密度变化，造成发动机进气流量变化，在供油量不变的情况下，改变燃烧室的余气系数，影响点火和起动性能;②会引起燃油密度变化，在燃油调节规律不变时燃油质量发生变化，造成涡轮做功减少或增大，发动机会出现冷悬挂或热悬挂并导致起动失败;③会引起滑油粘度变化，影响滑油润滑效果，造成起动过程转子阻力增加，影响起动性能。为了确保新研制的发动机具备高、低温起动的能力，必须进行高、低温起动试验。

国军标GJB241规定，发动机在海平面热天地面浸润温度或海平面冷天最低温度中至少保温10h，然后在海平面热天最高温度或海平面冷天最低温度的燃油和进口空气条件下，起动发动机并加速到中间状态，若发动机在起动和工作极限范围内连续两次加速到中间状态，则表明高、低温起动试验成功。因高空模拟试车台有冷冻、干燥和膨胀涡轮等降温设备，也有空气加温设备，完全满足国军标GJB241中高温或低温保温的要求，目前高、低温起动试验均在高空模拟试车台上进行。

6  总结

航空发动机可靠性是一项复杂的系统工程，可靠性试验是一项重要而又繁杂的工作，是保证发动机质量不可缺少的环节之一，应从型号方案论证阶段开始就详细规划和安排可靠性试验工程。通过在发动机研制阶段进行整机性能试验、振动试验、强度验证与考核试验、疲劳寿命试验和环境试验等整机可靠性试验，可以验证发动机的工作可靠性，确保发动机达到设计指标要求。整机可靠性验证试验较为复杂，应参照国内外先进发动机试验成果，摸索试验方法，积累试验经验，进一步完善现有试验条件和手段，以加快新型号发动机研制进度。

参考文献：

[1]李小平，许多，姜涛.可靠性管理在航空发动机研制中的应用和思考[J].燃气涡轮试验与研究，2018（04）：59-62.

[2]孔瑞莲.航空发动机可靠性工程[M].航空工业出版社，1996.

[3]王桂华，蔚夺魁，洪杰，等.航空发动机可靠性试验方法研究[J].航空发动机，2014，40（5）：13-17.

[4]张宝诚.航空发动机试验和测试技术[M].北京航空航天大学出版社，2005.

[5]李应红.航空涡轮风扇发动机试验技术与方法[M].上海交通大学出版社，2014.